這是「汽車人參考」的第184篇原創文章
隨著無人駕駛熱度逐漸上升，雷射雷達相關新聞撲面而來，這項技術雖然已應用多年，但在無人駕駛領域並不成熟，目前公開的技術資料不多，也很零碎。
汽車人參考計劃在春節期間，用萬字長文，共四個篇章全面系統分析雷射雷達，本文為技術篇，主要包含雷射雷達的關鍵技術，技術路線，分類以及一個視頻。雷射雷達基礎篇請點擊（雷射雷達全面分析（一）：最大優勢，四大系統，八個指標）。之後兩篇為產業篇和市場篇，歡迎繼續關注本公眾號（auto_refer）後續更新。
4. 五大關鍵技術
新聞媒體對於雷射雷達的分類和表述可謂是五花八門，機械、固態、MEMS、OPA、Flash、FMCW、飛行時間法等等，這些稱謂常常讓圈內圈外的人士感到蒙圈。實際上，經過仔細整理，可以把這些技術分為以下五個大類，它們也組成了雷射雷達的五大關鍵技術。
4.1 測距：與時間是否有關
所謂測距，即測量距離，目前有兩種方法，一種是基於時間的測量方法，飛行時間法（time of flight，TOF），一種是不基於時間的測距法。
其中，基於時間測試法有脈衝式和三角式兩種；而不基於時間測據法採用相位式；
脈衝式，也稱為直接式，如下公式：
D = c ×t / 2
D為測量距離，c為恆定的光速，t雷射往返時間，脈衝式的工作原理十分簡單，恆定速度乘以時間等於距離，由於是往返，所以除以2。
三角式，也稱為間接式，將光源、被測物、接收系統三點組成一個三角形光路，接收系統接收來自於被測物面的散射光，並將其成像在光電探測器敏感面上，通過光點在敏感面上的位移，從而計算出被測物的移動距離。
三角式結果較簡單，測試速度快，但對器件靈敏性要求高，主要應用在微位移測量，比如物體表面輪廓、寬度、厚度等。
以上兩種方法需要直接測量雷射往返時間，難度較高，精確度也低。因此有了相位式的測試方法。
相位式不以時間為基準，而是將一調製信號對雷射光強進行調製，通過測量相位差來間接測量往返時間。公式如下：
D = A / 2 ×B / (2 π)
D為距離，B為雷射往返一次所產生的相位差，A為調製信號的波長，A/2稱為測尺，即相位變化為2π時所對應的距離。
相位式適應於中短距離的測量，是目前測距精度最高的一種方式。
除了根據相位差來確定距離，還有一種方式是採用調頻連續波（FMCW），通過比較反射信號與發射信號頻率的方法來得到目標的距離信息。
4.2 發射：雷射器，波長，透鏡系統
雷射的產生來自於雷射發射器，有半導體雷射器、固體雷射器、光纖雷射器和二氧化碳氣體雷射器四種類型。
無人駕駛大多採用半導體雷射器，雷射由邊緣發出的邊發射雷射器（EEL）和雷射垂直於頂面的垂直腔面發射雷射器（Vertical-CavitySurface-Emitting Laser，簡稱VCSEL）。
垂直腔面發射雷射器，其出射光束圓形對稱，光能轉換效率高，光源具有高度一致性和高指向性等優點，被業界看好。
雷射最關鍵指標在于波長，一般會考量四個因素：人眼安全、與大氣相互作用、可選用的雷射器以及可選用的光電探測器。
目前業內主流採用905nm和1550 nm兩種波長，905nm波長適用的光電探測器比1550nm的更便宜，但1550nm對人眼安全性更高。
針對於與大氣相互作用，1550nm吸水率比905nm更強，但905nm的光損失更少。
由於各種雷射器發射的雷射束並不是絕對平行的，因此還需要一套透鏡系統，即發射光學系統，改變發射光束的發散度、波束寬度和截面積，使總功率保持不變。
發射光學系統，一般由準直鏡、擴束鏡和輔助光學系統組成。準直鏡是為了解決雷射器準直輸出問題，擴束鏡為了解決雷射發散角問題，而輔助光學系統為了解決雷射束偏振太難控制、光隔離等問題。
4.3 掃描（光束操縱）：機械和固態
雷射雷達的掃描技術，直接與3D環境地圖創建息息相關，可以通過多個雷射光束掃描環境，即掃描式雷射雷達，也可以通過對場景進行光覆蓋而實現，即Flash面陣式雷射雷達。
對於掃描式雷射雷達，有三種方法可以實現：
第一， 安裝在車頂以一定的速度旋轉，在水平方向採用機械360°旋轉掃描，在垂直方向採用了定向分布式掃描，這種方法使用旋轉多面鏡控制光束，也稱為機械式掃描；
第二， 使用MEMS（微機電系統）微鏡，把所有的機械部件集成到單個晶片上，利用半導體工藝生產，不需要機械式旋轉電機，而是以電的方式來控制光束。
微鏡振動幅度很小，頻率高，成本低，技術成熟。但MEMS微鏡的幾何尺寸限制了其振蕩幅度，其視野有限，無法實現360度。
第三， 採用光學相控陣（OPA）技術，原理與相控陣雷達類似，它由元件陣列組成，通過控制每個元件發射光的相位和振幅來控制光束，無需任何機械部件，因此也稱為固態掃描。
掃描速度快，精度高，可控制性好是它的優點，但OPA晶片納米加工難度高非常高。
以上方式都是逐點掃描，單次發射只探測某個方位，而Flash面陣式雷射雷達，利用雷射器同時照亮整個場景，對場景進行光覆蓋，一次性實現全局成像，故也稱為閃爍式雷射雷達。
這種方式無掃描器件，成像速度快，缺點是雷射功率受限，探測距離近，抗幹擾能力差。
目前，MEMS和Flash技術更受到雷射雷達廠商的青睞，有望逐步取代主流的機械式雷射雷達。
下圖為技術發展路線圖：
4.4 探測：直接和相干，光電探測器是核心
目前有兩種探測技術，一是直接探測法，也稱為能量探測法，利用探測器的光電轉換功能直接實現對光信號的信息解調。
其優點是系統簡單，缺點是精度低，對噪聲敏感。
另外一種方法是相干探測法，也稱為外差探測法，即多了一路雷射輸出，需要對信號進行混頻分析，其優點是靈敏度和精度高，缺點是系統比較複雜。
雷射探測的核心器件是光電探測器，能把光能轉換成一種便於測量（電壓或電流）物理量的半導體器件，主要有頻帶寬、靈敏度高、線性輸出範圍寬、噪聲低等要求。
目前主要有PIN光電二極體、雪崩二極體（APD）、單光子雪崩二極體(SPAD)和矽光電倍增管(SiPM)等。
4.5 數據處理技術
信息處理系統主要任務是對信號進行處理，計算，完成三維圖像重構。
目前主要採用大規模集成電路和計算機完成，可利用FPGA技術（Field Programmable Gate Array）實現、高速DSP等完成。關於FPGA，請繼續關注汽車人參考後續文章。
5. 分類：近二十種
根據上文中的技術總結，關於雷射雷達可以分為以下幾類，供讀者參考：
最後放上一個視頻，號稱世界上最好的雷射雷達，可以滿足無人駕駛所有需求。
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最近武漢肺炎都談虎色變，期望大家在春節期間注意身體。
（下一篇產業篇，包括雷射雷達的產業鏈，主要企業和產品介紹）
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